パス損失

経路損失、または経路減衰は、電磁波が空間を伝播する際の電力密度（減衰）の減少です。 ^[1]経路損失は、通信システムの リンクバジェットの分析と設計における主要な要素です。

この用語は、無線通信や信号伝播でよく使用されます。経路損失は、自由空間損失、屈折、回折、反射、開口-媒体 結合損失、吸収など、多くの影響によって生じます。経路損失は、地形の輪郭、環境 (都市部か田舎か、植物や葉)、伝播媒体 (乾燥した空気か湿った空気か)、送信機と受信機の距離、アンテナの高さや位置によっても左右されます。

無線通信において、パス損失とは、信号が送信機から受信機に移動する間に信号強度が減少することであり、損失を確認するためのアプリケーションです。これにはいくつかの要因が影響します。

• 自由空間経路損失：これは、電波が空間を伝播する際に拡散することによって発生する基本的な損失です。^[2]これは逆二乗則に従い、信号強度は送信機と受信機間の距離の二乗に比例して減少します。

• 回折: 電波が障害物に遭遇すると、回折したり、障害物の端で曲がったりすることがあります。これにより、特に建物の多い都市環境では、さらなる信号損失が発生する可能性があります。^[3]

• 吸収：特定の大気ガスや建物や植物などの障害物は電波を吸収し、その強度を低下させる可能性があります。^[4]

• 反射と散乱: 電波は建物や地面などの表面で反射したり、木や街灯柱などの物体によって散乱したりします。これにより多重伝播が発生し、受信機は信号の複数のコピーを受信し、それらが互いに干渉する可能性があります。^[5]

パス損失を理解して最小限に抑えるには、無線通信システムを設計する際に考慮すべき 4 つの重要な要素があります。

1) 必要な送信機電力の決定: 信号が十分な強度で受信機に到達するためには、送信機は経路損失を克服するのに十分な電力を持っている必要があります。

2) 適切なアンテナ設計とゲインを決定する: ゲインが高いアンテナは電波を特定の方向に集中させ、経路損失を減らすことができます。

3) 変調方式の最適化: 変調方式の選択は、信号のパス損失に対する堅牢性に影響を与える可能性があります。

4) 受信機の感度を適切に設定する: 受信機は弱い信号を検出できるほど感度が高くなければなりません。

経路損失には通常、自由空間における電波面の自然な拡大（通常はどんどん大きくなる球形になる）によって生じる伝搬損失、信号が電磁波を透過しない媒体を通過するときの吸収損失（浸透損失と呼ばれることもある）、電波面の一部が不透明な障害物によって遮られるときの回折損失、およびその他の現象によって生じる損失が含まれます。

送信機から放射された信号は、多数の異なる経路を同時に通過して受信機に到達することもあります。この現象はマルチパスと呼ばれます。マルチパス波は受信機のアンテナで結合し、受信信号は、波の強度分布と相対伝播時間、および送信信号の帯域幅に応じて大きく変化する可能性があります。レイリー フェーディングシナリオでは、干渉波の総電力は空間に応じて急速に変化します (これは小規模フェーディングと呼ばれます)。小規模フェーディングとは、短時間または移動距離内で無線信号の振幅が急激に変化することを指します。

無線通信の研究では、経路損失は経路損失指数で表され、その値は通常 2 ～ 4 の範囲にあります (2 は自由空間での伝搬、4 は比較的損失の多い環境、および地球表面からの完全な鏡面反射(いわゆる平面地球モデル)の場合)。建物、スタジアム、その他の屋内環境など、一部の環境では、経路損失指数は 4 ～ 6 の範囲の値に達することがあります。一方、トンネルは導波管として機能する場合があり、その結果、経路損失指数は 2 未満になります。

パス損失は通常dBで表されます。最も単純な形式では、パス損失は次の式で計算できます。

${\displaystyle L=10n\log _{10}(d)+C}$

ここで、はデシベル単位のパス損失、はパス損失指数、は送信機と受信機間の距離（通常はメートル単位）、はシステム損失を考慮した定数です。 ${\displaystyle L}$${\displaystyle n}$${\displaystyle d}$${\displaystyle C}$

無線およびアンテナのエンジニアは、自由空間における 2 つの等方性アンテナの給電点間の信号経路損失について、次の簡略化された式 ( Friis 伝送公式から派生) を使用します。

パス損失（dB） :

${\displaystyle L=20\log _{10}\left({\frac {4\pi d}{\lambda }}\right)}$

ここで、はデシベル単位の経路損失、は波長、は波長と同じ単位での送信機と受信機の距離です。空間の電力密度はに依存しないことに注意してください。変数は、等方性受信アンテナの有効捕捉領域を考慮するために式に存在します。 ^[6]${\displaystyle L}$${\displaystyle \lambda}$${\displaystyle d}$${\displaystyle \lambda}$${\displaystyle \lambda}$

パス損失の計算は通常、予測と呼ばれます。正確な予測は、前述の自由空間伝播や平面地球モデルなどの単純なケースでのみ可能です。実際のケースでは、パス損失はさまざまな近似値を使用して計算されます。

統計的手法（確率的手法または経験的手法とも呼ばれる）は、典型的なクラスの無線リンクに沿った測定および平均化された損失に基づいています。最も一般的に使用されている手法としては、奥村–秦、COST 秦モデル、WCYLee などがあります。これらは電波伝搬モデルとも呼ばれ、通常、携帯電話ネットワークや公衆陸上移動通信網(PLMN)の設計に使用されます。超短波(VHF) および極超短波(UHF) 周波数帯 (トランシーバー、警察、タクシー、携帯電話で使用される帯域) での無線通信の場合、最も一般的に使用されている手法の 1 つは、COST 231プロジェクトによって改良された奥村–秦の手法です。その他のよく知られたモデルには、Walfisch–Ikegami、WCY Lee、Ercegのモデルがあります。FM ラジオおよび TV 放送の場合、パス損失は、P.1546 (P.370 の後継) 勧告に記載されているITUモデルを使用して予測されるのが最も一般的です。

波動伝播の物理法則に基づく決定論的方法も使用され、レイ トレーシングはそのような方法の 1 つです。これらの方法は、経験的方法よりも正確で信頼性の高いパス損失の予測を生成することが期待されていますが、計算コストが大幅に高く、建物、屋根、窓、ドア、壁など、伝播空間内のすべてのオブジェクトの詳細で正確な記述に依存します。これらの理由から、これらは主に短い伝播経路に使用されます。アンテナやフィードなどの無線機器の設計で最も一般的に使用される方法の 1 つが、有限差分時間領域法です。

他の周波数帯域（中波（MW）、短波（SWまたはHF）、マイクロ波（SHF））でのパス損失も同様の方法で予測されますが、具体的なアルゴリズムと式はVHF/UHFの場合とは大きく異なる場合があります。SW/HF帯域でのパス損失の信頼性の高い予測は特に難しく、その精度は天気予報に匹敵します。^{[引用が必要]}

電波の地平線までの距離よりも大幅に短い距離での経路損失を計算するための簡単な近似値:

• 自由空間では、パス損失は 1デケードあたり 20 dB (1 デケードは送信機と受信機の間の距離が 10 倍になるとき)、または 1オクターブあたり 6 dB (1 オクターブは送信機と受信機の間の距離が 2 倍になるとき) 増加します。これは、(マイクロ波) 通信リンクの非常に大まかな一次近似として使用できます。
• 地球の表面を伝搬する UHF/VHF 帯域の信号の場合、パス損失は 10 年ごとにおよそ 35～40 dB (1 オクターブあたり 10～12 dB) 増加します。これは、携帯電話ネットワークで最初の推測として使用できます。

UHF 帯域で動作するUMTSやGSMなどの携帯電話ネットワークでは、市街地でのパス損失の値は、基地局(BTS) と移動体通信端末間のリンクの最初の 1 キロメートルで 110 ～ 140 dB に達することがあります。最初の 10 キロメートルのパス損失は 150 ～ 190 dB になることがあります (注: これらの値は非常に近似値であり、パス損失値を表す数値が最終的にとり得る範囲の例としてのみここに示されています。これらは確定的または拘束力のある数値ではありません。パス損失は、同じ距離でも 2 つの異なるパスで大きく異なる場合があり、同じパスであっても測定時刻が異なると異なることがあります。)

モバイル サービスの無線電波環境では、モバイル アンテナは地面に近い位置にあります。見通し内伝搬(LOS) モデルは大幅に変更されています。通常、屋根の上に設置されている BTS アンテナからの信号経路は、ローカルの物理環境 (丘、木、家屋) に屈折し、LOS 信号がアンテナに到達することはほとんどありません。環境によって、直接信号がアンテナに数回偏向され、通常 2 ～ 5 個の偏向信号成分がベクトル的に追加されます。

これらの屈折と偏向のプロセスにより信号強度が失われ、モバイル アンテナが移動すると信号強度が変化し (レイリー フェーディング)、最大 20 dB の瞬間的な変動が発生します。そのため、ネットワークは、物理的環境の性質に応じて LOS と比較して 8 ～ 25 dB の超過信号強度を提供し、移動によるフェーディングを克服するためにさらに 10 dB を提供するように設計されています。

• 気団（天文学）
• 電波伝搬モデル
• 対数距離経路損失モデル
• 2レイ地表反射モデル
• 大気中の電波減衰の計算

•  この記事には、連邦規格 1037Cのパブリック ドメイン マテリアルが組み込まれています。一般調達局。2022 年 1 月 22 日にオリジナルからアーカイブされました。( MIL-STD-188 をサポート)。

• 「パス損失予測の方法」。